KR100567347B1 - Ultrathin film using cucurbituril derivatives, and process for the preparation thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 쿠커비투릴 유도체가 중합 및 공중합하여 형성된 고분자 초박막 및 그 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따른 고분자 초박막은 그 두께 10 nm 이하이며, 기질 표면에서 박리해낸 후, 필름 형태를 유지할 수 있다. The present invention provides a polymer ultra-thin film formed by polymerization and copolymerization of a cucurbituril derivative and a method of manufacturing the same. The polymer ultrathin film according to the present invention has a thickness of 10 nm or less, and after peeling off from the surface of the substrate, it can maintain the film form.
Description
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고분자 초박막의 형성 과정을 설명하기 위한 도면이고,
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따라 알릴옥시쿠커비투[6]릴을 이용하여 얻어진 고분자 초박막의 주사전자현미경 사진이고,
도 3은 도 2의 일부 영역을 확대한 주사전자현미경 사진이고,
도 4는 본 발명의 실시예 2에 따라 알릴옥시쿠커비투[6]릴을 이용하여 얻어진 고분자 초박막의 주사전자현미경 사진이고,
도 5는 본 발명의 실시예 3에 따라 알릴옥시쿠커비투[6]릴을 이용하여 얻어진 고분자 초박막의 주사전자현미경 사진이다.1 is a view for explaining the process of forming a polymer ultra-thin film according to an embodiment of the present invention,
FIG. 2 is a scanning electron micrograph of a polymer ultra-thin film obtained using allyloxy cookerbitu [6] reel according to Example 1 of the present invention.
FIG. 3 is a magnified scanning electron micrograph of a portion of FIG. 2;
4 is a scanning electron micrograph of the polymer ultra-thin film obtained by using allyloxy cooker bit [6] reel according to Example 2 of the present invention,
FIG. 5 is a scanning electron micrograph of a polymer ultra-thin film obtained using allyloxy cookerbitu [6] reel according to Example 3 of the present invention.
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본 발명은 쿠커비투릴 유도체를 이용한 고분자 초박막 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하기로는 쿠커비투릴을 단독으로 중합하거나 또는 이를 유기 단분자와 공중합하여 얻어진 고분자 초박막 및 그 제조방법에 관한 것이다.
고분자 막(film)을 제조시 일반적으로 블로운 필름 압출(blown film extrusion)이나 칼랜더링(calendaring), 혹은 라미네이팅 (laminating) 법이 사용된다. 이렇게 막 형태로 제조된 고분자 박막은 산화방지 피막, 오염방지 피막, 자외선차단 필름, 발수필름, 포장용 및 접착용 필름 등과 같이 매우 다양한 분야에 걸쳐 널리 이용되고 있다.
그러나, 최근에 들어 많은 관심을 받고 있는 나노수준의 반도체 소자의 제조를 위한 저유전성 박막, 에칭 저항막 또는 바이오센서 등으로 응용하기 위해서는 고분자막의 두께가 나노 수준으로 제어할 수 있어야 하는데, 상술한 고분자막의 제조방법으로는 나노미터 수준의 두께를 가지는 막을 제조하는 것이 사실상 불가능하였다.
따라서, 나노 미터 수준의 두께를 가지는 고분자 필름을 제조하는 방법은 학술적인 측면 뿐만 아니라 실용적 기술 측면에서도 많은 관심과 연구가 진행되고 있다.
현재까지 알려진 나노미터 수준의 두께를 가지는 고분자막의 제조 방법은 크게 두 가지로 나누어 볼 수 있다.
첫째, 중합된 고분자 물질을 용매에 녹인 후 기질에 도입하는 방법과 둘째, 고분자 단량체를 기질 표면에서 중합함으로써 고분자막을 기질 위에서 형성하는 방법이다. 전자의 방법에 따르면, 딥-코팅(dip-coating)이나 스핀-코팅(spin-coating) 방법을 통해 고분자 막을 형성할 수 있으나, 이렇게 만들어진 고분자 박막은 특정한 두께 이하 (약 100 나노미터 이하)로는 만들 수가 없으며, 가교결합 정도를 높일 수 없는 등의 단점이 있다.
또한 후자 방법에 의하면, 기질로부터 분리시켰을 때도 필름 형태로 유지되는 것이 거의 불가능하며, 나노미터 수준에서 두께가 일정하게 조절하는 것이 매우 어려운 단점이 있다.
한편, 자기조립단층은 일반적으로 기질의 표면에 특정 분자들이 자발적으로 형성한 단층을 말한다. 특히 자기조립단층을 이루는 분자들은 방향성을 지니고 있어 특정한 작용기를 기질의 표면에 쉽고 균일하게 도입할 수 있기 때문에 분자의 작용기를 조절하여 화학 물질로부터 기질을 보호하거나, 단백질이나 DNA와 같은 생체물질을 인지하고 분석하는 일에 널리 응용이 되고 있다.
현재까지 이러한 자기조립단층의 특성을 이용하여 다양한 형태의 고분자 박막을 만들고자 하는 시도가 있어왔다. 특히 자외선에 의해 중합가능한 작용기를 포함하는 분자를 합성하고, 이들이 기질 표면에서 형성하는 자기조립단층에 자외선을 조사하여 두께 5 nm 이하의 고분자 초박막을 만드는 일이 많은 연구자들에 의해 시도 되어왔다 (J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 5212, Langmuir 2003, 19, 2466).
그러나 이제까지 알려진 고분자 초박막은 기질 표면에서 박리해내는 것이 불가능하거나 또는 만약 박리해낸다고 하더라도 기질 표면에서 분리하는 경우, 더 이상 필름 형태를 유지하지 못하기 때문에, 그 응용에 큰 제한이 있었다. The present invention relates to a polymer ultra thin film using a cucurbituril derivative and a method for producing the same, and more particularly, to a polymer ultra thin film obtained by polymerizing cucurbituril alone or copolymerizing it with an organic single molecule and a method for producing the same.
Blown film extrusion, calendering, or laminating methods are generally used in the production of polymer films. The polymer thin film manufactured in the form of a film is widely used in a wide variety of fields such as an anti-oxidation film, an anti-fouling film, a sunscreen film, a water repellent film, a packaging film, and an adhesive film.
However, in order to be applied to a low dielectric film, an etching resistive film, or a biosensor for manufacturing a nanoscale semiconductor device, which has received much attention in recent years, the thickness of a polymer film should be controlled to a nano level. It was virtually impossible to produce a film having a thickness on the order of nanometers by the method of.
Therefore, a method of manufacturing a polymer film having a thickness of nanometer level has been much interest and research in terms of practical technology as well as academic aspects.
Known methods for producing a polymer film having a nanometer thickness can be divided into two types.
First, the polymerized polymer material is dissolved in a solvent and introduced into the substrate. Second, the polymer film is polymerized on the substrate to form a polymer film on the substrate. According to the former method, the polymer film can be formed by dip-coating or spin-coating, but the polymer thin film is made to have a specific thickness or less (about 100 nanometers or less). There is a disadvantage, such as not being able to increase the degree of crosslinking.
In addition, according to the latter method, it is almost impossible to maintain the film even when separated from the substrate, and it is very difficult to control the thickness at the nanometer level.
On the other hand, self-assembled monolayer generally refers to a monolayer formed spontaneously by specific molecules on the surface of the substrate. Particularly, self-assembled monolayers have an orientation that allows specific functional groups to be easily and uniformly introduced on the surface of the substrate, thereby controlling the functional groups of the molecules to protect the substrate from chemicals or to recognize biomaterials such as proteins or DNA. It is widely applied in the work of analysis.
Until now, there have been attempts to make various types of polymer thin films using the characteristics of such self-assembled monolayers. In particular, many researchers have attempted to synthesize molecules containing functional groups that are polymerizable by ultraviolet light and to irradiate the self-assembled monolayers formed on the surface of the substrate with ultraviolet light to form polymer ultrathin films having a thickness of 5 nm or less (J Am. Chem. Soc. 1995, 117, 5212, Langmuir 2003, 19, 2466).
However, the polymer ultra-thin films so far known have not been able to peel off from the surface of the substrate, or if peeled off from the surface of the substrate, even if peeled off, because it can no longer maintain the film form, there was a big limitation in the application.
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본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 쿠커비투릴 유도체를 이용한 고분자 초박막, 그 제조방법을 제공하는 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is to provide a polymer ultra-thin film using a cucurbituril derivative, a method for producing the same.
상기 기술적 과제를 이루기 위해 본 발명에서는 하기 화학식 1의 쿠커비투릴 유도체의 중합으로 얻어진 고분자 초박막을 제공한다.In order to achieve the above technical problem, the present invention provides a polymer ultra-thin film obtained by polymerization of a cucurbituril derivative represented by the following Chemical Formula 1.
[화학식 1] [Formula 1]
상기식중 X는 O, S 또는 NH이고; A1 및 A2는 서로 독립적으로 OR, SR, 또는 NHR이며, R은 알릴기, 아크릴기 또는 C1-C20의 알켄기이며, n은 4 내지 20의 정수이다.
상기 쿠커비투릴 유도체의 C=X그룹이 하기 화학식 2로 표시되는 기질의 Y와 결합되어 있다.Wherein X is O, S or NH; A 1 and A 2 are independently from each other OR, SR, or NHR, R is an allyl group, an acryl group or a C1-C20 alkene group, and n is an integer of 4 to 20.
C = X group of the cucurbituril derivative is bonded to Y of the substrate represented by the following formula (2).
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[화학식 2][Formula 2]
상기식중, M은 Au, Ag, SiO2, 또는 SiOH 이고,Wherein M is Au, Ag, SiO 2 , or SiOH,
X'은 서로 독립적으로 S, (CH3O)3-Si-, (CH3CH2)3
-Si-, SO2
-, 또는CO2
-이며,X 'is independently selected from S, (CH 3 O) 3 -Si-, (
Y는 서로 독립적으로 말단이 - N+(R')(R")(R") 또는 - N(R')(R")기 갖는 C2-C30의 알킬기이고, R', R" 및 R"은 서로 독립적으로 수소 또는 C1-C20 의 알킬기이다.
본 발명의 기술적 과제는 또한, 하기 화학식 1의 쿠커비투릴 유도체와 탄소수 3 내지 30의 치환 또는 비치환 알케닐기를 포함하는 유기 단분자가 공중합되어 얻어진 고분자 초박막에 의하여 이루어진다.Y is, independently from each other, an alkyl group of C2-C30 having groups -N + (R ') (R ") (R") or -N (R') (R "), and R ', R" and R " Are independently of each other hydrogen or an alkyl group of C1-C20.
The technical problem of the present invention is also achieved by a polymer ultra-thin film obtained by copolymerizing an organic monomolecule comprising a cucurbituryl derivative represented by the following Chemical Formula 1 and a substituted or unsubstituted alkenyl group having 3 to 30 carbon atoms.
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[화학식 1] [Formula 1]
상기식중 X는 O, S 또는 NH이고, A1 및 A2는 서로 독립적으로 OR, SR, 또는 NHR이며, R은 알릴기, 아크릴기 또는 C1-C20의 알켄기이며, n은 4 내지 20의 정수이다.Wherein X is O, S or NH, A 1 and A 2 are independently of each other OR, SR, or NHR, R is an allyl group, an acryl group or an alkene group of C1-C20, n is from 4 to 20 Is an integer.
본 발명의 다른 기술적 과제는 (a) 하기 화학식 1의 쿠커비투릴 유도체를 유기용매에 용해하여 용액을 제조하는 단계;
(b) 상기 용액에 자기조립층을 갖는 기질을 침지시키는 단계;
(c) 상기 결과물을 중합시키는 단계를 포함하는 고분자 초박막의 제조방법에 의하여 이루어진다.Another technical problem of the present invention is to prepare a solution by dissolving a cucurbituril derivative of Formula 1 in an organic solvent;
(b) immersing the substrate having the self-assembled layer in the solution;
(c) is made by a method for producing a polymer ultra-thin film comprising the step of polymerizing the resultant.
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[화학식 1] [Formula 1]
상기식중 X는 O, S 또는 NH이고; A1 및 A2는 서로 독립적으로 OR, SR, 또는 NHR이며, R은 알릴기, 아크릴기 또는 C1-C20의 알켄기이며, n은 4 내지 20의 정수이다.Wherein X is O, S or NH; A 1 and A 2 are independently from each other OR, SR, or NHR, R is an allyl group, an acryl group or a C1-C20 alkene group, and n is an integer of 4 to 20.
상기 (c) 단계 이전에 상기 기질을, 탄소수 3 내지 30의 치환 또는 비치환 알케닐기를 포함하는 유기 단분자의 유기용매 용액에 침지시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 중합시 중합 촉매 존재하에서 이루어진다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 쿠커비투릴 유도체를 이용한 고분자 초박막 및 그 제조방법을 제공한다. 상기 고분자 초박막은 쿠커비투릴 유도체의 중합반응을 통하여 얻어진다.
상기 쿠커비투릴 유도체의 C=X그룹 예를 들어 카르보닐기는, 카르보닐기와 반응할 수 있는 작용기를 말단에 갖고 있는 자기조립단층을 갖는 기질의 말단 작용기와 결합되어 있다. 이러한 기질의 예로서 하기 화학식 2로 표시되는 기질이 있고, 기질의 Y와 쿠커비투릴의 카르보닐기가 결합되어 있다.Before the step (c) may further comprise the step of immersing the substrate in an organic solvent solution of an organic single molecule containing a substituted or unsubstituted alkenyl group having 3 to 30 carbon atoms.
The polymerization takes place in the presence of a polymerization catalyst.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
The present invention provides a polymer ultra-thin film and a manufacturing method using the cucurbituril derivative represented by the following formula (1). The polymer ultra thin film is obtained through polymerization of a cucurbituril derivative.
The C = X group, for example carbonyl group, of the cucurbituril derivative is bonded to the terminal functional group of the substrate having a self-assembled monolayer having a terminal functional group capable of reacting with a carbonyl group. As an example of such a substrate, there is a substrate represented by the following formula (2), and the Y of the substrate and the carbonyl group of the cucurbituril are bonded.
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[화학식 1] [Formula 1]
상기식중 X는 O, S 또는 NH이고, A1 및 A2는 서로 독립적으로 OR, SR, 또는 NHR이며, R은 알릴기, 아크릴기 또는 C1-C20의 알켄기이며, n은 4 내지 20의 정수이다.
상기 OR의 구체적인 예로서, 알릴옥시, 아크릴옥시, 알켄옥시 등이 있고, 상기 SR의 구체적인 예로서, 알릴설피도, 아크릴설피도, 알켄설피도 등이 있고, 상기 NHR의 예로서, 알릴아민, 아크릴아민, 알켄아민 등이 있다.Wherein X is O, S or NH, A 1 and A 2 are independently of each other OR, SR, or NHR, R is an allyl group, an acryl group or an alkene group of C1-C20, n is from 4 to 20 Is an integer.
Specific examples of the OR include allyloxy, acryloxy and alkenoxy, and specific examples of the SR include allyl sulfido, acryl sulfido, alken sulfido, and the like. Acrylamine, alkenamine and the like.
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[화학식 2][Formula 2]
상기식중, M은 Au, Ag, SiO2, 또는 SiOH 이고,Wherein M is Au, Ag, SiO 2 , or SiOH,
X'은 서로 독립적으로 S, (CH3O)3-Si-, (CH3CH2)3-Si-, SO2 -, 또는 CO2 -이며,X 'is independently selected from S, (CH 3 O) 3 -Si-, (
Y는 서로 독립적으로 말단이 - N+(R')(R")(R") 또는 - N(R')(R")기를 갖는 C2-C30의 알킬기이고, R', R" 및 R"은 서로 독립적으로 수소 또는 C1-C20 의 알킬기이다.
상기 화학식 2에서 Y의 구체적인 예로서, 알킬암모늄, 알킬(모노메틸암모늄), 알킬(디메틸암모늄), 알킬(트리메틸암모늄) 등이 있다.
상기 화학식 2로 표시되는 기질은 X-Y로 표시되는 분자들이 금속의 기질에서 형성하는 자기조립단층을 의미한다.
본 발명에서 형성한 고분자 초박막의 한층의 두께는 50nm 이하로서, 특히 1 내지 10nm이다.
상기 쿠커비투릴 유도체는 동공의 친소수성 성질로 인해 다양한 화합물과 강한 상호작용을 하는 것으로 알려진 거대고리 화합물로서, 특히 쿠커비투릴은 동공 입구에 카르보닐기를 가지고 있어, 전하-극성 상호작용, 극성-극성 상호작용과 수소결합을 통해 다양한 이온 물질뿐 만 아니라 극성이 큰 물질과 강하게 상호 작용을 한다. 특히 암모늄 작용기와 쿠커비투릴의 동공과 강한 상호작용을 하는 것으로 알려져 있다. 따라서 쿠커비투릴은 기체화합물, 지방족화합물, 방향족화합물 등의 다양한 유기물질, 살충제, 제초제, 아미노산, 핵산, 이온화합물, 금속이온, 유기금속이온등과 같이 다양한 종류의 화합물 등을 포집할 수 있는 능력을 갖추고 있다.Y is, independently from each other, an alkyl group of C2-C30 having groups -N + (R ') (R ") (R") or -N (R') (R "), and R ', R" and R " Are independently of each other hydrogen or an alkyl group of C1-C20.
Specific examples of Y in Formula 2 include alkyl ammonium, alkyl (monomethylammonium), alkyl (dimethylammonium), alkyl (trimethylammonium), and the like.
The substrate represented by Formula 2 refers to a self-assembled monolayer formed by the molecules represented by XY in the substrate of the metal.
The thickness of one layer of the polymer ultrathin film formed in the present invention is 50 nm or less, particularly 1 to 10 nm.
The cucurbituril derivatives are macrocyclic compounds known to have strong interactions with various compounds due to the hydrophilic nature of the pupils. In particular, cucurbituril has carbonyl groups at the entrance of the pupils, so that charge-polar interactions, polar-polar interactions, and hydrogen The bonds strongly interact with not only various ionic materials but also highly polar materials. In particular, it is known to have a strong interaction with the ammonium functional group and the pupil of cucurbituril. Therefore, Cucurbituril has the ability to capture various kinds of compounds such as gaseous compounds, aliphatic compounds, aromatic compounds, insecticides, herbicides, amino acids, nucleic acids, ionic compounds, metal ions, organometallic ions, etc. have.
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상기 화학식 1의 쿠커비투릴을 합성하기 위한 원료인 히드록시쿠커비투릴과 그 모체인 쿠커비투릴은 본 출원인들에 의해 출원된 한국특허출원 02-68362호, 02-318호, 01-57573호, 01-39756호, 및 00-33026호에 그 구체적인 화합물의 구조 및 합성방법이 개시되어 있으며, 본 명세서에 그 전체적인 내용이 통합되어 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고분자 초박막의 형성 과정을 설명하기 위한 도면이다.
이를 참조하면, 알릴옥시쿠커비투[6]릴의 클로로포름 용액에 기질 A를 담근 다음, 이를 중합한 후, 기질로부터 박리해내면 본 발명의 고분자 초박막이 얻어진다.
또한 본 발명은 쿠커비투릴 유도체와 유기 단분자의 중합반응에 의하여 형성된 고분자 초박막을 제공한다.
상기 유기 단분자는 말단에 알케닐기를 갖는 탄소원자수 3내지 30의 치환 또는 비치환된 유기 단분자를 포함하며, 이의 구체적인 예로는 스티렌, 아크릴산, 메타아크릴산, 비닐피롤리디논, 아크릴산 알킬 에스테르(예: 아크릴산 메틸, 아크릴산 알킬 등), 디비닐벤젠, 아크릴아미드로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있으나, 이에 한정된 것은 아니다.
상술한 고분자 초박막을 형성하는 방법을 살펴보면 다음과 같다.
먼저 화학식 1의 쿠커비투릴 유도체를 유기용매에 녹여 용액을 제조한다. 이 때 상기 용액의 농도는 0.0001 내지 0.1 M, 특히 약 0.001 M인 것이 바람직하다. Hydroxy cucurbituril and its parent, cucurbituril, which is a raw material for synthesizing cucurbituril of Chemical Formula 1, are disclosed in Korean Patent Application Nos. 02-68362, 02-318, 01-57573, 01-39756, And 00-33026 disclose the structure and synthesis method of the specific compounds, the entire contents of which are incorporated herein.
1 is a view for explaining the process of forming a polymer ultra-thin film according to an embodiment of the present invention.
Referring to this, the substrate A is immersed in a chloroform solution of allyloxy cucurbitur [6] reel, polymerized, and then peeled off from the substrate to obtain the polymer ultrathin film of the present invention.
The present invention also provides a polymer ultra thin film formed by polymerization of a cucurbituril derivative and an organic single molecule.
The organic monomolecule includes a substituted or unsubstituted organic monomolecule having 3 to 30 carbon atoms having an alkenyl group at its terminal, and specific examples thereof include styrene, acrylic acid, methacrylic acid, vinylpyrrolidinone, and acrylic acid alkyl ester (eg : One or more selected from the group consisting of methyl acrylate, alkyl acrylate, and the like), divinylbenzene, and acrylamide, but is not limited thereto.
Looking at the method of forming the polymer ultra-thin film described above is as follows.
First, a cucurbituril derivative of Formula 1 is dissolved in an organic solvent to prepare a solution. At this time, the concentration of the solution is preferably 0.0001 to 0.1 M, in particular about 0.001 M.
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상기 유기용매로는 쿠커비투릴 유도체를 용해할 수 있는 용매를 사용할 수 있으며, 이러한 용매로는 클로로포름, 디메틸설폭시드, 메탄올, 아세토니트릴 또는 이들의 조합이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
쿠커비투릴 유도체를 녹인 용액에 자기조립단층을 갖는 기질을 담근다. 여기에서 기질에 침지시키는 시간은 20 시간 이상 특히 20 내지 200시간인 것이 바람직하다.
화학식 2의 기질을 소정시간동안 침지시킨 이후에는 깨끗한 유기용매로 여러 번 씻어주는 것이 바람직하다. 이 때 유기용매는 쿠커비투릴 용해시 사용된 용매를 사용한다.
상기 과정에 따라 얻은 결과물을 촉매와 용매를 혼합한 혼합물에 담근 후 중합반응을 실시한다. 이러한 중합반응시 쿠커비투릴내에 함유된 불포화결합간의 중합반응이 진행된다. 만약 쿠커비투릴로서 알릴옥시쿠커비투릴을 사용하는 경우, 알릴기간의 중합반응이 일어나게 된다.
상기 중합반응의 온도는 촉매의 종류, 쿠커비투릴 유도체의 종류 등에 따라 가변적이지만, 10 내지 40℃ 범위에서 실시한다.
상기 촉매 함유 혼합물에 기질을 침지시키는 시간은 60 시간 이상, 특히 60 내지 600시간인 것이 바람직하다. 이와 같이 소정시간동안 담근 이후에는 유기용매로 세정하는 것이 바람직하다. 여기에서 촉매와 혼합되는 용매 또는 세정용 유기용매로는 톨루엔, 벤젠, 자일렌 등을 사용한다.
상기 촉매로는 그럽스 (Grubbs) 촉매, 라디칼 개시제 또는 이들의 조합이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 라디칼 개시제의 예로는AIBN(2,2'-azobisisobuyronitrile), K2S2O8, (NH4)2S2O8, 벤조일퍼옥시드 또는 이들의 조합이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 촉매로 라디칼 개시제를 사용하는 겨우 상기 기질을 촉매용액에 담근 후 자외선을 조사하여 광중합반응을 실시한다.
상기 촉매의 함량은 쿠커비투릴 1몰을 기준으로 하여 0.01 내지 10몰을 사용한다. 만약 촉매의 함량이 0.01몰 미만이면, 반응속도가 느리고, 10몰을 초과하면 고분자 초박막에서 촉매를 제거하기 어려워 바람직하지 못하다.
상기 촉매와 용매가 혼합된 혼합물의 농도는 0.0001 내지 0.1 M, 특히 약0.001 M 인 것이 바람직하다.
상기 기질 위에서 중합한 고분자 초박막의 두께는 박막 두께 측정기 (ellipsometer)를 이용하여 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이 기질 상부에 중합하여 얻어진 고분자 초박막 상부에 박리액을 적가하여 고분자 초박막을 박리해낸다. 여기에서 상기 박리액으로는 기질의 말단에 존재하는 작용기 종류에 따라 가변적이며, 예를 들어 1N의 수산화나트륨 용액과 같은 염기 수용액을 사용한다. 이렇게 박리된 고분자 초박막은 전자주사현미경을 이용하여 그 실체를 확인하는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 고분자 초박막이 화학식 1의 쿠커비투릴 유도체와 말단에 알케닐기를 갖는 탄소원자수 3 내지 30의 치환 또는 비치환된 유기 단분자간의 공중합반응에 의하여 형성되는 경우, 이러한 고분자 초박막은 상술한 제조과정중 촉매와 유기용매를 함유하는 혼합물에 기질을 담그기 이전에 탄소수 3 내지 30의 치환 또는 비치환 알케닐기를 포함하는 유기 단분자를 유기용매에 용해한 용액에 침지시키는 단계를 더 거침으로서 제조될 수 있다. 이 때 유기용매로는 유기 단분자를 용해할 수 있는 것이라면 모두 다 사용가능하며, 구체적인 예로서 클로로포름, 아세토니트릴 등을 사용한다. 유기 단분자와 유기용매를 함유하는 용액의 농도는 0.0001 내지 0.1 M, 특히 약0.001 M 인 것이 바람직하다. 그리고 기질을 탄소수 3 내지 30의 치환 또는 비치환 알케닐기를 포함하는 유기 단분자를 유기용매에 용해한 용액에 침지시키는 시간은 20 시간 이상, 특히 20 내지 200시간인 것이 바람직하다.
상기 말단에 알케닐기를 갖는 탄소원자수 3내지 30의 치환 또는 비치환된 유기 단분자의 함량은 화학식 1의 쿠커비투릴 1몰을 기준으로 하여 0.01 내지 1000 몰, 바람직하게는 1 내지 120몰을 사용하는 것이 바람직하다. 만약 유기 단분자의 함량이 0.01몰 미만이거나 1000몰을 초과하면 효과적인 공중합체를 형성하기 어려워하여 바람직하지 못하다.
그리고 소정시간동안 유기 단분자를 유기용매에 용해한 용액에 담근 이후에는 유기 단분자 용해시 사용된 순수한 유기용매로 세정하는 과정을 거치는 것이 바람직하다.
상기 과정에 따라 얻은 화학식 1의 쿠커비투릴 유도체와 말단에 알케닐기를 갖는 탄소원자수 3내지 30의 치환 또는 비치환된 유기 단분자간의 공중합반응에 얻어진 공중합체는 하기 화학식 3으로 표시되는 것이 바람직하다.As the organic solvent, a solvent capable of dissolving cucurbituril derivatives may be used, and such solvents include, but are not limited to, chloroform, dimethyl sulfoxide, methanol, acetonitrile, or a combination thereof.
The substrate having the self-assembled monolayer is immersed in a solution of the cucurbituril derivative. The time for immersion in the substrate is preferably 20 hours or more, in particular 20 to 200 hours.
After immersing the substrate of formula (2) for a predetermined time, it is preferable to wash several times with a clean organic solvent. At this time, the organic solvent is a solvent used when dissolving cucurbituril.
The resulting product is immersed in a mixture of a catalyst and a solvent and then subjected to a polymerization reaction. During this polymerization reaction, polymerization reaction between unsaturated bonds contained in cooker bituril proceeds. If allyloxy cucurbituril is used as the cucurbituryl, a polymerization reaction of allyl period occurs.
The temperature of the polymerization reaction varies depending on the type of catalyst, the type of cucurbituryl derivative, and the like, but is performed in the range of 10 to 40 ° C.
The time for immersing the substrate in the catalyst-containing mixture is preferably at least 60 hours, in particular 60 to 600 hours. After soaking for a predetermined time, it is preferable to wash with an organic solvent. Here, toluene, benzene, xylene, or the like is used as a solvent or organic solvent for washing.
The catalyst may include, but is not limited to, a Grubbs catalyst, a radical initiator, or a combination thereof.
Examples of the radical initiator include, but are not limited to, AIBN (2,2'-azobisisobuyronitrile), K 2 S 2 O 8 , (NH 4 ) 2 S 2 O 8 , benzoyl peroxide, or a combination thereof. In case of using a radical initiator as a catalyst, the substrate is immersed in a catalyst solution and irradiated with ultraviolet rays to perform a photopolymerization reaction.
The catalyst is used in an amount of 0.01 to 10 moles based on 1 mole of cucurbituril. If the content of the catalyst is less than 0.01 mole, the reaction rate is slow, if it exceeds 10 moles it is difficult to remove the catalyst from the polymer ultra-thin film is not preferred.
The concentration of the mixture of the catalyst and the solvent is preferably 0.0001 to 0.1 M, in particular about 0.001 M.
The thickness of the polymer ultrathin film polymerized on the substrate may be confirmed using a thin film thickness meter.
As described above, a stripping solution is added dropwise to the upper portion of the polymer ultrathin film obtained by polymerization on the substrate, thereby peeling off the polymer ultrathin film. Here, the stripping solution is variable depending on the type of functional group present at the terminal of the substrate, and for example, an aqueous base solution such as 1 N sodium hydroxide solution is used. The polymer ultra thin film thus peeled off can be identified using an electron scanning microscope.
When the polymer ultra thin film according to the present invention is formed by a copolymerization reaction between a cucurbituryl derivative represented by Chemical Formula 1 and a substituted or unsubstituted organic monomolecule having 3 to 30 carbon atoms having an alkenyl group at the terminal, the polymer ultra thin film may be prepared as described above. It can be prepared by further immersing the organic single molecule containing a substituted or unsubstituted alkenyl group having 3 to 30 carbon atoms in a solution dissolved in an organic solvent before immersing the substrate in a mixture containing a heavy catalyst and an organic solvent. . In this case, any organic solvent may be used as long as it can dissolve organic monomolecules. Specific examples thereof include chloroform and acetonitrile. The concentration of the solution containing the organic single molecule and the organic solvent is preferably 0.0001 to 0.1 M, in particular about 0.001 M. The time for immersing the substrate in a solution in which an organic single molecule containing a substituted or unsubstituted alkenyl group having 3 to 30 carbon atoms is dissolved in an organic solvent is preferably 20 hours or more, particularly 20 to 200 hours.
The content of the substituted or unsubstituted organic monomolecule having 3 to 30 carbon atoms having an alkenyl group at the terminal is 0.01 to 1000 moles, preferably 1 to 120 moles, based on 1 mole of cucurbituril of formula (1). desirable. If the content of the organic monomolecule is less than 0.01 mole or more than 1000 mole, it is difficult to form an effective copolymer, which is undesirable.
After immersing the organic monomolecule in a solution dissolved in an organic solvent for a predetermined time, it is preferable to go through a process of washing with a pure organic solvent used for dissolving the organic monomolecule.
The copolymer obtained in the copolymerization reaction between the cucurbituryl derivative of Formula 1 obtained according to the above process and substituted or unsubstituted organic monomolecule having 3 to 30 carbon atoms having an alkenyl group at the terminal is preferably represented by the following
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[화학식 3][Formula 3]
상기식중 R은 C1-C20의 알킬기, 알릴기, C6-C20 아릴기이며, m은 1 내지 10의 정수이고, n은 10 내지 1000의 수이다.
본 발명에 따라 얻어진 고분자 초박막을 구성하는 고분자의 중량 평균 분자량은 20,000 내지 2,000,000이고, 중합도는 10 내지 1000이다.
이하, 본 발명을 실시예를 들어 보다 상세히 설명한다. 이들 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다.
실시예 1. 알릴옥시쿠커비투[6]릴이 그러브 촉매로 중합된 고분자 초박막의 제조
화학식 1의 쿠커비투릴(X는 O이며, A1과 A2는 알릴옥시이고, n은 6임) 20mg을 10 ml의 클로로포름에 용해하였다. 이렇게 얻어진 쿠커비투릴 용액에 상기 화학식 2에서 M이 Au 이며, X'는 S이고, Y는 에틸암모늄인 1 cm × 2 cm 크기의 기질을 20 시간 동안 침지시켰다. 이어서, 상기 기질을 10 ml의 클로로포름으로 세 번 세척하고 진공에서 건조한 후, 1 mg의 그럽스 (Grubbs) 촉매를 10 ml의 톨루엔에 녹인 용액에 상기의 기질을 60 시간 동안 침지하였다. 그 후, 상기 기질을 10 ml의 톨루엔으로 세 번 세척하였다. 이러한 과정에 따라 형성된 고분자 초박막은 외부반사 적외선 분광법을 통해 이 고분자 박막이 쿠커비투릴에 의해 구성되어 있음을 확인할 수 있다. 또한, 박막 두께 측정기 (Ellipsometry)에 의해 측정된 본 고분자 초박막의 두께는 약 2 nm (± 0.5 nm) 였으며, 상기 기질에 1N의 수산화나트륨 용액을 처리하면 기질로부터 분리되어도 이 고분자 초박막이 필름(film) 형태를 유지함을 광학현미경과 전자주사현미경을 통해 확인할 수 있었다 (도 2 및 3).
실시예 2. 알릴옥시쿠커비투[6]릴이 라디칼 개시제로 중합된 고분자 초박막의 제조
화학식 1의 쿠커비투릴(X는 O이며, A1과 A2는 알릴옥시이고, n은 6임) 20mg을 10 ml의 클로로포름에 용해하였다. 이렇게 얻어진 용액에 상기 화학식 2에서 M이 Au 이며, X'는 S이고, Y은 에틸암모늄인1 cm × 2 cm 크기의 기질을 20 시간 동안 침지하였다. 이어서, 상기 기질을 10 ml의 클로로포름으로 세 번 세척하고 진공에서 건조한 후, 1 mg의 AIBN을 10 ml의 톨루엔에 녹인 용액에 상기의 기질을 침지하였다. 이 후 UV를 12 시간 동안 조사한 후, 10 ml의 톨루엔으로 세 번 세척하였다.
상기 과정에 따라 얻어진 기질에 1N의 수산화나트륨 용액을 적가하여 고분자 초박막을 박리해냈다. 광학현미경과 전자주사현미경으로 고분자 초박막의 실체를 확인할 수 있었다. 박막두께 측정기 (Ellipsometry)에 의해 측정된 본 고분자 초박막의 두께는 약 2 nm (± 0.5 nm) 였으며, 상기 기질에 1N의 수산화나트륨 용액을 처리하면 기질로부터 분리되어도 이 고분자 초박막이 필름(film) 형태를 유지함을 광학현미경과 전자주사현미경을 통해 확인할 수 있었다 (도 4).
실시예 3. 알릴옥시쿠커비투[6]릴과 아크릴산이 공중합된 고분자 초박막의 제조
화학식 1의 쿠커비투릴(X는 O이며, A1과 A2는 알릴옥시이고, n은 6임) 20mg을 10 ml의 클로로포름에 녹였다. 그 용액에 상기 화학식 2에서 M이 Au 이며, X'는 S이고, Y는 에틸암모늄인 1 cm × 2 cm 크기의 기질을 20 시간 동안 침지하였다. 10 ml의 클로로포름으로 세 번 세척하고 진공에서 말린 뒤 상기 기질을 아크릴산을 클로로포름에 용해한 녹인 1 M의 용액에 30시간 동안 침지시켰다. 그 후, 상기 기질을10 ml의 클로로포름으로 세 번 세척하고 진공에서 말린 뒤, 1 mg의 AIBN을 10 ml의 톨루엔에 녹인 용액에 상기의 기질을 침지하였다. 이 후 UV를 12 시간 동안 조사한 후, 10 ml의 톨루엔으로 세 번 세척하였다.
상기 기질에 1N의 수산화나트륨 수용액을 적가하여 고분자 초박막을 박리해냈고, 이러한 고분자 초박막의 존재는 광학현미경과 전자주사현미경으로 그 실체를 확인할 수 있었다 (도 5).R is a C1-C20 alkyl group, an allyl group, a C6-C20 aryl group, m is an integer of 1-10, n is a number of 10-1000.
The weight average molecular weight of the polymer which comprises the polymer ultra thin film obtained by this invention is 20,000-2,000,000, and a polymerization degree is 10-1000.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These examples are only for illustrating the present invention and should not be construed as limiting the scope of the present invention.
Example 1 Preparation of Polymer Ultra-thin Films Polymerized with Allyloxy Cookerbitu [6] Reel by Grab Catalyst
20 mg of cucurbituril (X is O, A 1 and A 2 are allyloxy and n is 6) was dissolved in 10 ml of chloroform. The Cucurbituril solution thus obtained was immersed in a 1 cm × 2 cm sized substrate in which M is Au in Formula 2, X ′ is S, and Y is ethylammonium for 20 hours. Subsequently, the substrate was washed three times with 10 ml of chloroform and dried in vacuo, and then the substrate was immersed for 60 hours in a solution of 1 mg of Grubbs catalyst in 10 ml of toluene. The substrate was then washed three times with 10 ml of toluene. The ultra-thin polymer formed according to this process can be confirmed that the polymer thin film is composed of cooker bituril through the external reflection infrared spectroscopy. In addition, the thickness of the polymer ultrathin film measured by Ellipsometry was about 2 nm (± 0.5 nm), and when the 1N sodium hydroxide solution was treated to the substrate, the polymer ultrathin film was separated from the substrate. The shape was maintained by the optical microscope and the electron scanning microscope (Figs. 2 and 3).
Example 2 Preparation of Polymer Ultra-thin Films Polymerized with Allyloxy Cookerbitu [6] yl with a Radical Initiator
20 mg of cucurbituril (X is O, A 1 and A 2 are allyloxy and n is 6) was dissolved in 10 ml of chloroform. Thus obtained solution was immersed for 20 hours in a 1 cm × 2 cm sized substrate in which M is Au, X 'is S, Y is ethyl ammonium. The substrate was then washed three times with 10 ml of chloroform and dried in vacuo, then the substrate was immersed in a solution of 1 mg of AIBN dissolved in 10 ml of toluene. The UV was then irradiated for 12 hours and then washed three times with 10 ml of toluene.
1N sodium hydroxide solution was added dropwise to the substrate obtained according to the above procedure to peel off the polymer ultrathin film. The optical microscopy and electron scanning microscopy confirmed the substance of the polymer ultrathin film. The thickness of this polymer ultra thin film measured by Ellipsometry was about 2 nm (± 0.5 nm). When the 1N sodium hydroxide solution was treated to the substrate, the polymer ultra thin film was separated from the substrate even in the form of a film. It was confirmed that the optical microscope and the electron scanning microscope to maintain (Fig. 4).
Example 3 Preparation of Polymer Ultra-thin Film Copolymerized with Allyloxy Cookerbitu [6] Reel and Acrylic Acid
20 mg of cucurbituril (X is O, A 1 and A 2 are allyloxy and n is 6) was dissolved in 10 ml of chloroform. In the solution, in the formula 2, M was Au, X 'was S, and Y was ethyl immersed in a 1 cm × 2 cm sized substrate for 20 hours. After washing three times with 10 ml of chloroform and drying in vacuo, the substrate was immersed in a 1 M solution of dissolved acrylic acid in chloroform for 30 hours. Thereafter, the substrate was washed three times with 10 ml of chloroform and dried in vacuo, and then the substrate was immersed in a solution of 1 mg of AIBN dissolved in 10 ml of toluene. The UV was then irradiated for 12 hours and then washed three times with 10 ml of toluene.
An aqueous solution of 1N sodium hydroxide was added dropwise to the substrate to remove the polymer ultrathin film, and the existence of the polymer ultrathin film was confirmed by an optical microscope and an electron scanning microscope (FIG. 5).
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상술한 바와 같이, 본 발명에 따라 쿠커비투릴 유도체가 중합 및 공중합하여 얻어진 고분자 초박막은 그 두께 10 nm 이하이며, 기질 표면에서 박리해낸 후, 필름 형태를 유지할 수 있다. 이러한 본 발명의 고분자 초박막은 다양한 분야에 적용가능하다.As described above, the polymer ultra-thin film obtained by polymerization and copolymerization of the cucurbituryl derivative according to the present invention has a thickness of 10 nm or less, and after peeling off from the surface of the substrate, the film form can be maintained. Such a polymer ultra thin film of the present invention is applicable to various fields.
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WO2005103125A1 (en) | 2005-11-03 |
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